Lab of Prof. Tian Shizhu 1 土木工程学院 结构实验技术 田石柱 教授 Lab of Prof. Tian Shizhu 2 第一章 结构静载试验 1.1 概述 建筑结构上的作用分为直接作用与间接 作用。直接作用主要是荷载作用，包含结 构自重与施加在结构上的外力；其它引起 结构外加变形和约束变形的原因,如温度变 化、地基不均匀下沉和结构内部物理、化 学作用等为间接作用。 Lab of Prof. Tian Shizhu 3 第一章 结构静载试验 1.1 概述 直接作用又分为静荷载作用和动荷载作 用两类，静荷载作用是指对结构或构件不 引起加速度或加速度可以忽略不计的直接 作用。 Lab of Prof. Tian Shizhu 4 第一章 结构静载试验 1.1 概述 建筑结构的主要职能是承受直接作用的，因 此，研究结构承受直接作用的状况是结构试验与 分析的主要目的，在结构的直接作用中，经常起 主导作用的是静荷载，于是静载试验也就被置于 经常的常规试验中。 静载试验主要讨论原型结构、缩尺结构、构 件的静载试验原理、内容和方法。 Lab of Prof. Tian Shizhu 5 1.2 静载试验的加载设备 结构静载试验，除少数在实际荷载下实 测之外，绝大多数是在模拟荷载作用下进 行。尽管试验目的不同，对加载设备的要 求不一样，产生模拟荷载的方法可以很多 ，但无论采用何种方法，加载设备必须满 足以下基本要求： Lab of Prof. Tian Shizhu 6 1.2 静载试验的加载设备 1. 试验荷载的作用应符合实验荷载作用的传递方式 ，能使被试验结构，构件再现其实际工作状态的 边界条件。 2. 产生的荷载值应当明确，满足试验的准确度，除 模拟动力作用之外，荷载值应能保持相对稳定， 不会随时间、环境条件的改变和结构的变形而变 化，保证荷载量的相对误差不超过5%。 Lab of Prof. Tian Shizhu 7 1.2 静载试验的加载设备 3. 加载设备本身应有足够的强度和刚度，并有足够 的储备，避免发生意外事故。 4. 加载设备不应参与结构工作，以致改变结构的受 力状态或使结构产生次应力。 5. 能分级加载和卸载，以便控制加载或卸载速度。 6. 尽采用先进技术，满足自动化的要求，减轻劳动 强度，方便加载，提高试验效率和质量。 Lab of Prof. Tian Shizhu 8 1.2 静载试验的加载设备 加载设备种类： 有重物、液压、气压、机械和电液伺服 加载系统以及和它们相配合的各种试验装 置等。 Lab of Prof. Tian Shizhu 9 一、重物加载法及设备 是利用物体的重量作为静荷载加于结构 上的加载方法。 主要设备有： 荷重块（铁块、混凝土块、砖、水、沙 石等）、荷重盘、杠杆等。 Lab of Prof. Tian Shizhu 10 1 . 荷重块加载 可以有规则地放置于结构上，作为均布 荷载如图1-1所示 Lab of Prof. Tian Shizhu 11 荷重块: 在试验室，常用具有标准重量的铸铁块，为 了减少加载时的冲击力，荷重块重不宜大于 25kg。 在工地现场，可以就地取材，用砖、袋装砂 ，石料作为荷重，要求密度大（比重大），形 状规整，以便堆放加载和累计加载量。 Lab of Prof. Tian Shizhu 12 保证加载精度和分级精度： 随机抽取20块检查，若每块误差不超过平均 重的5%时，荷载值可按平均重计算。 Lab of Prof. Tian Shizhu 13 保证均匀分布： 重物排列于结构上作为均布荷载时，应分垛 堆放，垛间距515cm且每垛的边长 ， 对于跨度不大于4m的构件，每堆长度不应大于 构件跨度的1/4。 上述要求的目的在于避免荷重物在结构变形 时，因彼此挤碰产生内拱，而引起局部卸荷（ 避免荷载起拱而参与结构工作）。 Lab of Prof. Tian Shizhu 14 水直接用作均布荷载时，可用水的高度计 算控制荷载值，当结构变形过大时，应注意水 荷载的不均匀性所产生的影响。 Lab of Prof. Tian Shizhu 15 2.荷重盘加载 荷重盘是承荷重的吊盘，用于施加集中荷载。 如下图所示，荷重盘一般用钢筋和角钢焊接而成， 其平面尺寸根据测试的需要决定其强度必须是足够 保证安全。吊杆与荷重盘的自重应计入第一级荷载 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 16 3 杠杆加载 杠杆加载也属于重力加载的一种。当利用重 物作为集中荷载时，经常会受到荷载量的限制， 利用杠杆的放大作用，可以减小荷重块的用量。 重物杠杆加载如下图所示。 Lab of Prof. Tian Shizhu 17 杠杆加载荷载值稳定不变，当结构有变形时，荷载 可以保持恒定，对应做持久荷载试验尤为适合。 杠杆加载的放大率，常用放大率为35倍，过大的 放大率会使杠杆在测试后期倾斜较大，对结构产生 较大的水平推力，杠杆除须满足强度，稳定要求外 ，还必须具有足够的刚度，否则加载后期变形过大 ，也会对结构产生较大的水平推力，引起不良后果 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 18 用杆杆加载之初，应使杠杆施力点比支点稍高，以 使满载时杠杆的斜度接近水平，减小因杠杆倾斜而 产生的水平推力。 荷重盘的下面，杠杆法码盘的下面和堆放荷重物加 载的试件的下面，都应放置垫物，与垫物之间的间 隙在整个测试过程中保持5cm左右，以免结构达到 极限承载能力后被突然压塌或引起杠杆倾覆，造成 观测仪器损坏和人员伤亡的事故。 Lab of Prof. Tian Shizhu 19 二、液压加载法及设备 液压加载是目前结构试验中应用比较理 想的一种加载方法，也是结构试验中最常用 的加载方法，它的最大优点是利用油压使液 压加载器产生较大的荷载，试验操作安全方 便。液压加载器主要有手动液压千斤顶，油 泵液压千斤顶等。 Lab of Prof. Tian Shizhu 20 1. 手动液压千斤顶 主要由油泵和加荷油缸两部分组成，其 工作原理如图所示。 缺点：每台千斤顶必 须有专人操作，不能 实行多点同步加载。 Lab of Prof. Tian Shizhu 21 2. 油泵液压千斤顶 油泵液压千斤顶如图所示，就是一个加 载油缸，由电动油泵提供油压，此种千斤顶 若在油泵出口接上分油器，可组成多点同步 加载系统适应多点同步加载要求。 进油出油 Lab of Prof. Tian Shizhu 22 进 油 出 油 Lab of Prof. Tian Shizhu 23 千斤顶与支承系统组成液压加载系统，如图 所示是一个常用加垂直荷载的装置形式。 兰色是液压千斤顶，黄色是测力计， 桔黄色是反力架 加载架常用钢制成，横梁 可沿加载架上下调节， 试验台座为1米以上至几米 厚的劲性钢筋砼结构。 试验台座形式有： 槽道式、地锚式、孔洞式 （台面下有地下室） Lab of Prof. Tian Shizhu 24 Lab of Prof. Tian Shizhu 25 Lab of Prof. Tian Shizhu 26 水平反力： 施加侧向推力或低周反 复荷载时，其水平反力 支承机构常用与台座连 成L形，形成刚度很大 的反力墙。 当荷载较小时，水平支 承也有用三角架锚固在 试验台座上。 Lab of Prof. Tian Shizhu 27 3. 材料、构件试验机 结构静载试验也常用到各种液压试验机 ，如:万能材料试验机、压力试验机等，这些 试验机除做到材料力学性能试验外，也可做 尺寸较小的构件试验。 长柱试验机：5m、10m、500T、1000T长 柱试验，也可作抗弯试验。 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 28 试验机都是典型的液压加载系统，不过把荷 载架、机座、加载器等组成工作单元，其余 部分组成操纵单元，二部分用油管连接起来 （做弯、砌体试验等应该用长压板）。 Lab of Prof. Tian Shizhu 29 Lab of Prof. Tian Shizhu 30 三、电液伺服加载系统 电液伺服加载系统在20世纪50年代中期 开始首先应用于材料试验机技术领域，由于 它可以较为准确地模拟试件所受的实际外力 与受力状态，所以在近代试验加载技术中被 人们引入到结构试验的领域中，它是目前结 构试验研究中一种比较理想的试验设备，特 别是用来进行抗震结构的静力或动力试验， 尤为适宜。 Lab of Prof. Tian Shizhu 31 电液伺服加载系统的工作原理 电液伺服加载系统目前采 用闭环控制，其主要组成是电 液伺服加载器（作动器）、控 制系统和液压源等三大部分， 它可将荷载、应变、位移等物 理量直接作为控制参数，实行 自动控制。与计算机连接组成 程序控制电液伺服系统，称为 计算机控制系统。 Lab of Prof. Tian Shizhu 32 电液伺服加载系统的工作原理 如图所示是电液伺服加载系统的电压控制闭环回 路。 VVV V 124 3 56 1指令信号；2调整放大系统；3油源；4伺服阀；5作动器；6传感器 特点：具有响应快、灵敏度高、量测与控制精度好，出力大，波形多，频 带宽、可以与计算机联机等。使试验新技术开发逐渐由硬件技术转向软件 技术，在结构试验中应用愈来愈广泛。可以做静态、动态、低周疲劳试验 等。 Lab of Prof. Tian Shizhu 33 四、机械机具加载 常用的机械加载机具有：绞车、卷扬机、倒链葫 芦、花篮螺丝、螺旋千斤顶和弹簧等。 绞车、卷扬机、倒链葫芦和花篮螺丝等主要是配 合钢丝或绳索对结构施加拉力。 Lab of Prof. Tian Shizhu 34 四、机械机具加载 弹簧、螺旋千斤顶均较适用于施加长期试验荷载。 螺旋千斤顶由涡轮蜗杆等组成，手动机械顶使用类 同普通手动液压千斤顶。弹簧可直接旋紧螺帽，或 先用千斤顶加压后旋紧螺帽，靠其弹力加压，用百 分表测其压缩变形确定荷载值。结构变形会自动卸 载，应及时加以调节。 Lab of Prof. Tian Shizhu 35 五、气压加载 气压加载有两种。一种是用空气压缩机 对气包充气，给试件加均匀荷载。另一种是 用真空泵抽出试件与台座围成的封闭空间的 空气，形成大气压力差对试件加均匀荷载。 Lab of Prof. Tian Shizhu 36 分配梁是将集中作用于一点 的荷载转换为作用于试件的多点 分荷载的设备，如图所示，一般 用型钢制成。 分配梁的刚度必须足够，并且 必须组成静定简支梁，以免妨碍 结构的变形。 分配梁不宜超过两层，支座、支墩都是根据试验结构、 构件状态的边界条件和应力状态而设置。必须保证结构在支 座处力的正确传递，本身并有足够的强度与刚度储备（支墩 满足抗压强度、稳定的要求） 六、分配梁、支座、支墩（荷载支承设备） Lab of Prof. Tian Shizhu 37 支座形式有：滚动铰支座、固定铰支座、球铰支 座、刀口支座。如下图所示： Lab of Prof. Tian Shizhu 38 柱试验的刀口铰支座： (a) 单向铰支座 （b) 双向铰支座 Lab of Prof. Tian Shizhu 39 各支座高差不宜大于试件跨度的1/200，过大 的高差会在结构中产生附加应力。 上下垫板尺寸应分别按试验和支墩局部承压考 虑，梁类构件，上垫板宽度不应小于梁的底面宽度 。 垫板长度按下式计算： 式中： 最大支座反力； b上垫板宽度； fc试件材料抗压强度设计值Mpa，长度不小于30mm。 Lab of Prof. Tian Shizhu 40 上下垫板要有一定刚度，厚度可按下式计算 ： 式中： fc混凝土抗压强度设计值 N/mm2； L板长； f 钢材计算强度。 Lab of Prof. Tian Shizhu 41 滚轴选择：滚